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Bohrkopf für Spülbohrungen Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf für
Spül-
bohrungen, bei denen die Spülflüssigkeit durch am Umfang eines Kopfteiles
vorgesehene Spülschlitze eintritt und über eine Spülleitung abgeführt wird.
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13ei Bohrungen in wasserhaltigen Erdschichten kennt man bereits sogenannte
Spülbohrungen unter Verwendung eines Bohrgerätes, bei dem am Umfang des Bohrkopfes
eine Anzahl während der Bohrung nicht veränderbarer Spülschlitze vorgesehen ist.
Durch diese Spülschlitze werden die auszubohrenden Erdschichten unter der Einwirkung
des auf sie in der Bodenformation ausgeübten Druckes zusammen mit dem Grundwasser
hindurchgepreßt und über eine Spülleitung abgeführt. Das Spülprinzip, welches bevorzugt
in wasserhaltigen Sand- und Kiesschichten anwendbar ist, wurde bisher vor allem
beim Vortrieb von Filterrohren für Horizontalbrunnen benutzt. Bei derartigen Bohrungen
ist eine genaue Richtungsorientierung von untergeordneter Bedeutung. Während die
Orientierung von Vertikalbohrungen wegen der leicht meßbaren Lage der Symmetrieachse
des Bohrkopfes gegenüber der Schwerkraftrichtung auf geringere Schwierigkeiten stößt,
bietet der Vortrieb von Spülbohrungen in horizontaler Richtung zur Erreichung eines
genau vorgegebenen Festpunktes sowohl schwierige Probleme der exakten Ortung des
Bohrkopfes als auch der Richtungskorrektur bei festgestellten Abweichungen von der
vorgesehenen Bohrrichtung.
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Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Bohrkopf für
Spülbohrungen zu schaffen, bei dem auch bei größeren Bohrlängen eine einfache Richtungskorrektur
ohne äußere Eingriffe möglich ist. Das Kennzeichnende der Erfindung wird darin gesehen,
daß zur Richtungssteuerung des Bohrkopfes nach Größe und/oder Lage am Umfang des
Kopfteiles veränderbare Spülschlitze vorgesehen sind und daß die größte Eintrittsdurchbrechung
am Kopfteil in Richtung der gewünschten Bohrkopfbewegung liegt. Bei dieser Anordnung
wird somit der größte Eintrittsquerschnitt am Kopfteil des Bohrkopfes jeweils in
die Richtung der gewünschten Bohrkopfbewegung gelegt, so daß in der Umgebung des
größten Eintrittsquerschnittes eine optimale Abtragung erfolgt, wobei der Bohrkopf
in der Richtung des kleinsten Widerstandes, d. h. nach der Seite der größten
Eintrittsdurchbrechung, ausweicht.
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Die technische Ausgestaltung dieses Grundprinzips kann sowohl durch
eine Querschnittsveränderung an den Spülschlitzen als auch dadurch erfolgen, daß
der Kopfteil an seinem Umfang eine Anzahl von Schlitzen mit unveränderbarer, jedoch
unterschiedlicher Durchtrittsausnehmung aufweist und daß der Kopfteil am Bohrkopfträger
drehbar gelagert ist. Während also bei einer Querschnittssteuerung der Spülschlitze
jeder Schlitz seine ursprüngliche Lage beibehält und nur den Eintrittsquerschnitt
durch vorzugsweise hydraulisch gesteuerte Abdeckschieber verändert, ist bei der
anderen Ausführung der Kopfteil als Ganzes mit unterschiedlichen, unveränderbaren
Durchtrittsausnehmungen versehen, wobei durch Drehung des Kopfteiles jeweils die
größte Eintrittsfläche in die Richtung der gewünschten Bohrkopfbewegung gebracht
werden kann. Eine solche Ausbildung erscheint konstruktiv einfach und unter den
rauhen Betriebsbedingungen eines Bohrgestänges wenig störungsanfällig.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, den kegelförmig gestalteten Kopfteil
mit einem im Bohrkopf drehbar gelagerten Halteteil drehfest zu verbinden, der ein
Antriebselement, vorzugsweise einen Innenzahnkranz, aufweist, in das ein Antriebsrad
eines Verstellmotors eingreift. Dieser Verstellmotor läßt sich sogar gegebenenfalls
in dem von der Spülflüssigkeit erfüllten Raum anordnen. In diesem Fall ist eine
flüssigkeitsdichte Ausführungsforin des meist als Elektromotor auszubildenden Verstellmotors
zu wählen, und die Eingriffsstelle zwischen Antriebsrad und Antriebselement muß
gegen grobstückige Verunreinigungen, welche die Spülflüssigkeit mit sich führt,
geschützt werden. Hierzu genügt für viele Anwendungsfälle ein entsprechender Schutzschirm,
welcher ohne Flüssigkeitsabdichtung an der Getriebeeingriffsstelle lediglich ein
Dazwischentreten von groben Beimengungen der Spülflüssigkeit verhindert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind im Bohrkopf an sich bekannte
Meßgeräte zur Ortsbestimmung (beispielsweise zur Richtungs- und Neigungsbestimmung
sowie zur Feststellung der Höhenlage
des Bohrkopfes) vorzugsweise
zusammen mit Femübertragungselemgnten derart angeordnet, daß sie nach der Beendigung
der Bohrung mit Hilfe eines Zugelementes gezogen werden können. Dabei er-;cheint
es vorteilhaft, diese Meßgeräte vorzugsweise .-,is-mr-zen mit den Fernübertragungselementen
und dem Antrieb der Schlitzsteuerung oder dem Drehantrieb des Kopfteiles als gemeinsame
ziehbare Baueinheit auszubilden, welche nach der Beendigung der Bohrung zur Ausgangsstelle
zurückgezogen und erneut verwendet werden kann. In diesem Fall kann der Bohrkopf
mit der angesetzten Verrohrung unmittelbar im Bohrloch belassen werden.
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Die Meßgeräte zur Ortsbestimmung des Bohrkopfes können in bekannter
Weise als Magnet- oder Kreiselkompaß, als Schwerkraftneigungsmesser bzw. als hydrostatischer
Höhenmesser ausgebildet sein. Die mit Hilfe dieser Meßgeräte ermittelten Meßwerte
lassen sich entweder- durch Femübertragung direkt, beispielsweise mit Fernsehkameras
und Wiedergabegeräten, sichtbar machen, oder sie werden > unter Zwischenschaltung
entsprechender elektrischer Meßwertumforiner angezeigt. Man kann dann die Verstellung
der Spülschlitze am Kopfteil durch Fernsteuerung von Hand nach der Fernanzeige der
Meßgeräte oder dadurch vornehmen, daß die Meßgeräte mit einem an sich bekannten
Steuergerät in Verbindung stehen, welches die Antriebselemente der Verstellelemente
am Kopfteil bei Abweichungen von der vorgesehenen Bohrrichtung selbsttätig steuert.
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Zur Verstärkung der Transportwirkung in der Spülleitung kann es außerdem
zweckmäßig sein, im Bereich des Kopfteiles mindestens ein Injektorelement anzuordnen,
welches mit einer Zuführungsleitung für ein flüssiges und/oder gasföriniges Me.-dium,
vorzugsweise Druckwasser, in Verbindung steht. Derartige bevorzugt mit Druckwasser
gespeiste Injektordüsen können auch im weiteren Verlauf in die Spülleitung eingeschaltet
werden, um Druckverluste auszugleichen und den Transport des Spül-
gutes auch
in ungünstigen Fällen, z. B. bei abwärts geneigter Bohrung oder zu geringem überdruck
des Grundwassers, zu sichern.
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Form, Größe und Anzahl der Spülschlitze lassen sich jeweils nach dem
Bohrlochdurchmesser und nach den Eigenschaften des zu durchbohrenden Erdstoffes
festlegen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
schematisch dargestellt es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen
Bohrkopf gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A
bei einem Bohrkopf nach F i g. 1,
F i g. 3 einen Längsschnitt durch
einen Bohrkopf mit drehbar gelagertem Kopfteil, F i g. 4 eine Draufsicht
auf einen Kopfteil nach Fig. 3.
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In den F i g. 1 und 2 ist die Spitze eines Bohrgestänges mit
einem Bohrkopf 1 dargestellt, der mit einem Kopfteil 2 starr verbunden ist.
Am Umfang des Kopfteiles 2 befinden sich Spülschlitze 3, deren freier Durchlaßquerschnitt
mit Absperrschiebern 4 abgedeckt werden kann. Die Absperrschieber 4 sind über Schubstangen
5 mit Antriebskolben 6 verbunden, die in hydraulischen Hubzylindern
7 durch ein Druckmedium gegen die Wirkung von Schraubendruckfedem
8 verschiebbar gelagert sind. Die Speisung der Hubzylinder 7 erfolgt
von nicht gezeichneten Druckwassererzeugem über Zuleitungen 9. Am hinteren
Ende des Bohrkopfes 1 sind Meßgeräte und Fernübertragungselemente in einem
Behälter 10 zusammengefaßt.
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Der mit den Spülschlitzen 3 in Verbindung stehende freie Innenraum
des Kopfteiles 2 mündet in eine Spülleitung 11. In der Spülleitung
11 erkennt man eine Injektordüse 12, die über eine Druckwasserleitung
13 gespeist wird. Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß die zur Ortsbestimmung
vorhandenen Meßgeräte und die beispielsweise als Femsehaufnahmekameras ausgebildeten
Femübertragungselemente mit dem Behälter 10 in einer im Bohrkopf
1 verschiebbaren Innenhülse 14 untergebracht sind, wobei diese Innenhülse
auch die Hubzylinder 7 mit den Schubstangen 5
sowie den Anschluß der
Spülleitung 11 aufnimmt. Diese Innenhülse 14 kann dann mit sämtlichen eingeschlossenen
Teilen zum Ausgangspunkt der Bohrung zurückgezogen werden, so daß im Bohrloch lediglich
die aneinandergesetzten Rohre und der Bohrkopf 1 mit Kopfteil 2 verbleiben.
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Beim Betrieb des Bohrkopfes nach F i g. 1 wird die Bewegungsrichtung
durch die Meßgeräte in Verbindung mit den Fernübertragungselementen überwacht. Nach
Feststellung einer Abweichung wird der Hubzylinder 7, welcher einen Spülschlitz
3 gegenüber der gewünschten Nachführungsrichtung des Bohrkopfes
1
steuert, mit Druckwasser beaufschlagt. Dadurch läßt sich die freie Durchtrittsfläche
des Spülschlitzes 3 an dieser Stelle abdecken, und der Bohrkopf
1 bewegt sich nunmehr bevorzugt in die entgegengesetzte Richtung. Für eine
Richtungssteuerung genügen bereits drei, vorzugsweise unter gleichem Winkel angeordnete
steuerbare Spülschlitze, jedoch kann man in besonderen Anwendungsfällen auch eine
größere Anzahl von Spülschlitzen vorsehen.
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Während bei der Ausführungsform der F i g. 1
und 2 eine Veränderung
des Einlaßquerschnittes der in ihrer Lage verbleibenden Spülschlitze angewendet
wird, zeigen die F i g. 3 und 4 eine andere Ausführung, bei der am Kopfteil
2 mehrere unveränderbare Spülschlitze 3 von unterschiedlichem Querschnitt
angeordnet sind. Durch Verdrehen des ganzen drehbar gelagerten Kopfteiles 2 kann
man jeweils die größte Eintrittsfläche in die Richtung der gewünschten Bohrkopfabweichung
legen. Die Schlitze 3 des Kopfteiles 2 münden unmittelbar in die feststehende
Spülleitung 11. Der Kopfteil 2 ist an der Spülleitung 11 sowie am
Bohrkopf 1 mit Hilfe der Lager 15,16
und 17 über einen Halteteil
18 drehbar gelagert. An diesem Halteteil 18 befindet sich ein Innenzahnkranz
19, in den ein Antriebszahnrad 20 eines Verstellmotors 21 eingreift. Der
zur Aufnahme des Antriebs vorgesehene Innenraum des Bohrkopfes 1 wird durch
gummielastische Dichtungen 22, 23, 24 gegen den Spülstrom abgedichtet und
damit von Verunreinigungen weitgehend frei gehalten.
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F i g. 4 zeigt eine Draufsicht auf den drehbaren Kopfteil 2
mit den Spülschlitzen 3 von unterschiedlicher Größe.
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Im Einlaufbereich der Spülleitung 11 ist auch bei dieser Ausführungsfonn
eine durch die Druckwasserleitung 13 gespeiste Injektordüse 12 zu erkennen.
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Die Ortsbestimmungs- und Fernübertragungs- sowie gegebenenfalls die
Steuerungselemente sind in dem Behälter 10 untergebracht. Dieser Behälter
10
liegt zusammen mit dem elektrischen Verstellmotor 21
in
der Innenhülse 14, so daß diese Teile nach Beendigung des Vortriebes, wie bereits
erläutert, zur Wiederverwendung aus dem Bohrloch zurückgezogen werden können.
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Unter dem Begriff »Spülflüssigkeit« soll im Zusammenhang dieser Erfindung
ein Gemisch, bestehend aus einem Flüssigkeitsanteil, insbesondere Wasser, zusammen
mit Feststoffanteilen, vorzugsweise den an der Bohrstelle abgeschwemmten Erdstoffanteilen,
verstanden werden.